用腦電波交流，把知識和技能直接傳到你腦里？

關鍵詞：腦機介面；EEG信號；腦腦通訊

撰 文

拉傑什·拉奧（華盛頓大學的計算機科學教授 感知運動神經工程中心主任）

安德烈·斯托科（華盛頓大學心理系和學習與腦科學研究所助理教授）

「沃森先生，請到這裡來。」138年前，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾第一次用電話說出了這句話，一場通信革命從此掀起。如今，人們即使身居不同大陸，也能夠通過手機、互聯網毫無障礙地通話、通信及視頻交流。

但語言交流仍有局限。一些抽象概念和情感並不容易通過文字表達。一部分殘疾人無法和他人正常交流，儘管他們的思維能力和常人無異。

數十年來，神經科學家一直在尋找解決上述問題的辦法。一種叫做腦機介面（brain-computer interface，簡稱BCI）的技術逐漸成熟，可以讓癱瘓病人用腦信號控制電腦游標或假肢。BCI 用一些數據處理技術，從病人的腦信號中提取出移動的意圖，並將該信息傳達給病人希望控制的裝置。

多年前，拉奧想到：或許我們可以用同樣的原理實現人腦與人腦之間的通信。想像下，教師可以直接把數學證明傳入你的大腦，而不用口頭教授；醫學系的學生可以從導師的大腦中直接學會複雜的手術技能。這類想法一直是科幻作品中的重要題材，比如《星際迷航》中瓦肯人的心靈融合，以及《阿凡達》電影中的截癱者控制阿凡達等。

我和拉奧在多次對話中（我們均在華盛頓大學任教）認識到，實現這種技術的最基本的設備已經有了，儘管能實現的功能十分初級。和其他科學家一起，我們正在尋找可以讓大腦直接交換思想的技術，使人類突破傳統交流手段的桎梏。

讓老鼠的尾巴抬起來

我們的想法是使用腦電圖技術（簡稱 EEG），即在人的頭皮上安置很多電極，記錄人的腦電波。記錄到的神經活動看似充滿雜訊，但實際上包含了人類思維的信號。我們希望可以提取出這樣的信號，並通過網路發送給第二個人。也就是說，這個信號決定了我們要給接收信號的人的大腦施加怎樣的電刺激。因為神經元通過電信號互相交流，我們可以施加電流或磁場（或是用其他技術），以特定方式影響大腦內部的信息傳導過程。

簡單來說，我們根據一個人的大腦信號，讓另一個人的大腦產生特定的神經活動模式。

在用腦電波玩遊戲的實驗中，一個人想像做一個動作。EEG 可以檢測到對應的神經活動。這會觸發電腦，向第二個人的運動皮層發送一個刺激，讓他抬起手按下按鈕。

當我們開始測試這個想法時，已經有另外兩個神經科學研究組實現了大腦間的信號傳輸，不過他們的研究不是在人腦上做的。到目前為止，包括我們的研究在內的所有實驗均是對這個概念的簡單驗證：一方扮演發送者，另一方扮演接收者。我們的最終目的是希望實現大腦間的雙向通信，但我們相信這兩個階段之間並沒有不可逾越的鴻溝。

杜克大學的米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）率先實現了大腦間的通信。2013年上半年，他發表了一項研究，成功地在身處不同大陸的兩隻大鼠之間傳遞了一些簡單信號。不多久，另一項用人作為信號發送者的研究也成功了。這項研究中，6個受試者通過 EEG 裝置各自向一隻麻醉的大鼠發送命令。哈佛大學醫學院的柳承世（Seung-Schik Yoo）和同事還使用了一項新技術——向特定腦區發送穿透顱骨的高度聚焦的超聲波。

當人類受試者決定移動大鼠尾巴時，他的腦電波信號會觸發超聲波裝置，向大鼠大腦發射一個超聲波脈衝。這個350kHz 的脈衝對準了大鼠的運動皮層，因此兩秒後，老鼠的尾巴會抬起來再放下。

另一個大腦

和柳承世的工作類似，我們的實驗也是用 EEG 提取控制信號。拉奧實驗室有著從 EEG 信號中提取控制意圖的豐富經驗，所以這一步很簡單。問題在於提取出神經信號以後，我們該如何把它「輸入」另一個大腦。幸運的是，本文的另一位作者斯托科和錢特爾·普拉特 （Chantel Prat）當時正在研究經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，簡稱 TMS）。這是一項已被美國食品及藥品管理局批准的技術，可以用於治療重度抑鬱症。這種技術是利用磁場脈衝，誘導大腦特定區域的神經元放電。

實驗時，研究人員會在受試者頭部附近放置一個絕緣線圈來產生脈衝。線圈通電時，線圈附近的神經元周圍會有磁場形成。線圈斷電後，磁場就會消失。磁場的突然變化將會使磁場內的神經元產生微弱的電流，促使神經元放電。當這個區域的神經元放電時，與之相連的一系列神經元也會被激活。

當線圈放置在合適位置時，特定的磁場變化會讓人做一些不自主的運動。雖然使用 TMS 的目的通常不是為了讓人做不自主的運動，但我們意識到，可以利用這一點讓受試者做一些簡單動作。在我們的研究中，斯托科的左側運動皮層上方置有 TMS 線圈，這裡的神經元控制著他的右手動作。經過一系列參數調整，我們找到了刺激控制斯托科手腕的神經元的合理設置，可以讓他的手抽動。

我們決定用一個雙人電子遊戲測試我們的腦腦介面（brain-to-brain interface）。實驗室的學生們花了數月時間編寫程序、整合各種技術，終於在2013年8月12日，我們成功開展了這個實驗。拉奧扮演信息的發出者，斯托科則是接收者。

遊戲中一艘海盜船正在向城市發射火箭。玩家需要發射火炮，攔截每發火箭。只有拉奧可以看到遊戲畫面，但只有斯托科可以按下發射火炮的按鈕。所以拉奧需要在恰當的時機，形成「發射」這個想法，然後幾秒種後斯托科則會收到這個信息，並按下按鈕。

拉奧頭上戴了一個貼得很緊的帽子，上面嵌有32個電極，可以測量頭部不同位置的電活動變化。在任意時刻，大腦中不同的神經元群的電活動可能都會以不同的頻率發生波動。當拉奧想像著移動自己的手時，EEG 電極會記錄到一個可以被軟體檢測到的信號。該信號的特徵是，電活動的低頻波動會有明顯下降。一旦檢測到這種特徵的信號，我們就會通過互聯網，發送一個指令，刺激斯托科的大腦。

斯托科自己並不會意識到這個刺激，儘管如此，他的右手還是會運動。刺激會導致他抬手，當手落下時會敲擊鍵盤並在遊戲中發射火炮。成功了！這是有史以來第一次有人直接把自己的意圖傳達到另一個人大腦中，讓兩個大腦協作完成任務。隨著實驗進行，我們在遊戲中的表現越來越好，最後我們幾乎可以100%攔截海盜的火箭。拉奧學會了如何以同一種方式來想像移動自己的手，使電腦可以從 EEG 數據中找到規律。斯托科同時還發現，除非他感覺到或看到自己的手在動，否則他並不知道自己的手腕在動。

我們後來又在其他幾組人類受試者身上重複了這個發現。雖然不是每次結果都很完美，但總體來講，只要發送者的意圖被 EEG 系統準確檢測到了，它就可以通過 TMS 直接傳入接收者大腦中。在這些實驗中，每個受試者都知道各自扮演的角色，並且願意合作解決這個問題。每次海盜的火箭被擊中時，發送者就知道對方成功接收到了自己的意念，並按下了開火按鈕。我們認為這種有意識的合作是腦腦通信的真正目標，這一特點在動物實驗中很難實現。

然而這個簡單的實驗有一個缺陷：接收者的角色是被動的，他本質上只是借了只手給發送者用而已。接下來我們將設計新的實驗，對接收者的其他腦區發送信號，產生有意識的、主動的想法。例如，我們可以向另一個大腦發送視覺信號，而不再是運動信號。接收者會突然看到——比如說一片綠色，然後明白應該做相應的行動。一個研究組已經用和我們相同的技術，在人腦間發送了簡單的視覺信息。

這些簡單的實驗看上去離電影中傳輸複雜思維的「心靈融合」還差很遠，但我們相信，弄清楚如何傳送感覺信息和運動信息是十分重要的。對於大腦如何傳輸感覺和運動信號，我們已經有很多認識，而關於大腦如何產生複雜思想和想法，比如怎樣解微分方程、判斷哪座城市是拉脫維亞的首都等，我所知尚少。而且很多科學家都認為感覺和運動信息是構築更複雜知識的基本要素。只有掌握了傳送簡單信號的技術，我們才能去嘗試傳送更複雜的概念。

腦腦通信

我們暢想了該技術在未來的幾種應用。例如，正在進行康復訓練的病人可以從治療師那裡直接接收加速恢復的方法。不能說話的殘疾人可以用這種技術直接把自己的想法和感受傳遞給他們愛的人。

當然，用技術提高大腦能力並不是什麼新鮮事。我們用汽車和飛機增強了運動能力，用書籍和網路擴大了記憶容量，用計算機和智能手機提升了分析和交流能力。腦腦通信技術增強的可能會是人類社會性的一面——和他人分享想法的天然需求。

假若科學家和工程師真的有一天實現了真正的腦腦通信，這種技術一定會在道德方面產生深刻的影響。技術是把雙刃劍，小到廚房的餐刀，大到基因工程均是如此。

腦腦通信也不例外。很多科幻作品中都有壞人將大腦植入技術濫用在邪惡目的上的情節。現在的世界中各個裝置高度互聯，安全和隱私被人們高度重視，而在大腦可以互聯的未來，這兩個問題只會變得更加關鍵。神經安全研究者需要開發出高度安全的通訊協議，把腦腦通信的風險降到最低。政策制定者也需要通過相關的法律，最大限度減少技術的濫用。

我們必須捫心自問：腦腦通信帶來的好處能否抵過它的風險？這種技術會如何改變人類進化的軌跡？社會會因為它變得更好嗎？我們的實驗提醒人們，或許現在就該開始討論這些問題了。